微机械热电堆红外探测器及其制作方法

1、微机械热电红外探测器，其特征在于所述探测器是由衬底、框架、 热电堆、支撑臂、红外吸收层和腐蚀开口六部分构成；
其中1)衬底和悬浮于框架中间的红外吸收层分别构成热电堆的冷结区 和热结区；
2)支撑臂连接框架和红外吸收层并承载热电堆；
3)中间悬浮的红外吸收层带有不同形状的腐蚀开口，作为干法刻 蚀工作气体进入衬底进行反应的通道；
4)支撑臂和红外吸收层在衬底上。
2、按权利要求1所述的微机械热电红外探测器，其特征在于所述的衬 底为任意晶向的单晶硅或SOI硅片。
3、按权利要求1或2所述的微机械热电红外探测器，其特征在于支撑 臂和红外吸收层是由硅衬底上氧化硅-氮化硅复合介质膜或氧化硅-氮化硅- 氧化硅三明治结构组成。
4、按权利要求1所述的微机械热电红外探测器，其特征在于支撑臂和 红外吸收层在SOI衬底上，直接由氧化一层氧化硅构成，而不形成两层介质 膜。
5、按权利要求1所述的微机械热电红外探测器，其特征在于所述的腐 蚀开口的形状为方形、圆形或扇形，且不必考虑特定晶向。
6、制作如权利要求1-5任意一项所述的微机械热电红外探测器方法， 其特征在于使用各向同性的干法刻蚀从正面腐蚀衬底形成悬浮膜结构释放 器件，可选用下述两种方法中任意一种：
方法之一：
①复合介质膜的生长，在抛光的单晶硅衬底上，首先热生长氧化硅， 再用LPCVD或PECVD沉积氮化硅，形成氧化硅-氮化硅的复合介质膜结构；
②形成多晶硅条，在两层介质膜上用LPCVD沉积多晶硅，掺杂使其 导电；光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，作为热偶的一种组分；
③光刻引线孔。在步骤②中形成的多晶硅上面，淀积氧化硅或氧化多 晶硅作为绝缘层，光刻引线孔图形；
④形成金属条和热偶。蒸发沉积金属，光刻金属线条，腐蚀金属和多 晶硅形成热偶对结构；
⑤光刻腐蚀开口，作为干法刻蚀的气体通道；
⑥干法刻蚀释放结构，XeF2工作气体经由步骤⑤中形成的开口刻蚀衬 底，形成悬浮的吸收层，结构释放器件；
方法之二：
①将抛光的SOI硅片氧化，形成表面氧化硅；
②以步骤①中的氧化硅为掩模，光刻图形，刻蚀形成单晶硅条，作为 热偶的一种组分；
③氧化形成氧化硅，再用LPCVD淀积氮化硅，形成复合介质膜，光 刻引线孔图案；
④淀积金属材料铝，光刻金属线条，形成单晶硅与金属的热偶对结构；
⑤在硅片正面光刻腐蚀开口，作为干法刻蚀的气体通道；
⑥使用XeF2经由腐蚀开口刻蚀衬底，形成悬浮膜结构释放器件。
7、按权利要求6所述的微机械热电红外探测器的制作方法，其特征在 于所述的热偶对的几何构型为平行于框架、沿对角线方向和沿径向等间隔排 列中任意一种。
8、按权利要求6或7所述的微机械热电红外探测器的制作方法，其特 征在于热偶对金属为铝。
9、按权利要求6或7所述的微机械热电红外探测器的制作方法，其特 征在于热偶对材料为Al/多晶Si、Al/Si、N-多晶Si/P-多晶Si或Au/Si。

技术领域\n本发明涉及一种微机械热电堆红外探测器及其制作方法，更确切地说是 一种基于MEMS(Micro Electro-Mechanical System)技术和塞贝克效应的微 机械热电堆红外探测器及其制作方法，属于红外探测器领域。\n背景技术\n随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高，非致冷红外传感 器发展迅速。热电堆红外探测器是最早发展的一种热红外探测器，其工作原 理基于塞贝克效应(T.H.Geballe and G.W.Hull，Seebeck effect in Silicon，Phys. Rev.98，940-947(1955))。该效应指出两种不同材料组成的热偶，如果闭 合回路的两个节点之间存在温度差，就会在回路中产生电动势。\n早期的热电堆红外探测器是利用真空镀膜的方法，将热偶材料沉积到塑 料或氧化铝衬底上获得的，器件尺寸较大，也不易批量生产。随着微电子机 械系统MEMS技术的发展，1982年美国密歇根大学的K.D.Wise等率先采 用微机械手段制作了两种封闭膜结构的硅基热电堆红外探测器(G.R.Lahiji and K.D.Wise，A Batch-Fabricated Silicon Thermopile Infrared Detector，IEEE Trans.ED，Vol.29，No.1，Jan 1982，14-22)，热偶材料分别为Bi-Sb与Si-Au。 按照材料分类，主要包括金属热偶，硅-金属热偶，以及硅-硅热偶。构成金 属热偶的材料主要是Bi-Sb以及它们的合金。1998年，M.C.Foote等利用Te 与Bi，Sb的合金构成热偶，获得了具有很高探测率D*与响应率的微机械热 电堆红外探测器线列(M.C.Foote，E.W.Jones and T.Caillat，Uncooled Thermopile Infrared Detector Linear Arrays with Detectivity Greater than 109 cmHz1/2/W.IEEE Trans ED，Vol.45，No.9，Sep 1998，1896-1902)。硅-金属热偶 主要是多晶硅-金热偶与硅/多晶硅-铝热偶。1994年，K.D.Wise等制作了热 偶材料为多晶硅-金的微机械热电堆探测器，器件为32元的阵列，每个单元 拥有40对热偶(W.G.Baer，K.Najafi，K.D.Wise and R.S.Toth，A 32-Element Micromachined Thermal Imager With On-Chip Multiplexing，Sensors and Actuators A，Vol.48，No.1，May 1995，47-54)。在多晶硅-铝热偶方面，1992年 R.Lenggenhager等利用工业CMOS技术制作的探测器摈弃了原有的硅支撑 膜的结构，代之以氧化硅-氮化硅复合介质膜结构(R.Lenggenhager，H.Baltes， J.Peer and M.Forster，Thermoelectric Infrared Sensors by CMOS Technology， IEEE Electron Device Letters，Vol.13，No.9，Sep 1992，454-456)。之后，R. Lenggenhager等又尝试了从硅片正面腐蚀释放结构的方案，并增加了红外吸 收层(R.Leggenhager，H.Baltes and T.Elbel，Thermoelectric Infrared Sensors in CMOS Technology，Sensors and Actuators A，1993，Vol.37-38，216-220)。1997 年，Z.Olgun等使用N-多晶硅与P-多晶硅组成热偶，并利用TMAH的电化 学自停止腐蚀工艺制成微机械热电堆红外探测器，该组合具有较大的塞贝克 系数(Z.Olgun，O.Akar，H.Kulah and T.Akin，An Integrated Thermopile Structure with High Responsivity Using Any Standard CMOS Process，1997 International Conference on Solid State Sensors and Actuators，Transducers’97， Chicago，June 16-19，1997，Vol.2，1263-1266)。此外，还有利用GaAs基体和SOI 基体的研究。1995年，M.Müller等在SOI基体上制作了包括热电堆，模拟 放大器和温度传感器的集成红外探测器(M.Müller，W.Budde，R. Gottfried-Gottfried，A.Hübel，R.and H.Kück，A Thermoelectric Infrared Radiation Sensor with Monolithically Integrated Amplifier Stage and Temperature Sensor，The 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，Eurosensors IX，Transducers’95，June25-29，1995，Vol.2，640-643)。\n微机械热电堆红外探测器主要包括热电堆和红外吸收层。热电堆主要由 热偶对，冷结区和热结区组成。为了提高探测器的性能，通常需要良好的隔 热结构，使得热结区到冷结区的热传导缓慢，增强塞贝克效应。硅基热电堆 中，一般以硅衬底作为冷结区，热结区选择在支撑热电堆的介质膜上，即红 外吸收层。典型的悬浮膜结构热电堆探测器结构如图1所示。支撑膜一般为 氧化硅与氮化硅的复合膜，本身对红外辐射有一定吸收，但不明显，复合结 构还有利于减小应力。在冷结区温度恒定时，增强红外辐射的强度可以提高 热结区的温度，从而提高器件性能。所以，在支撑膜上生长红外吸收层，利 用其对红外辐射的高吸收率和广谱吸收特性，可以大幅提高探测器性能。理 想的红外吸收层应该具有很高的吸收率以及较小的薄膜厚度。\n以往制作的红外热电堆探测器存在以下问题：第一，金属热偶虽然具有 较大的优值，但其制作过程与标准CMOS工艺不兼容。第二，传统的背向 腐蚀需要正反对准，对光刻机要求很高，并且限制了器件尺寸进而影响了性 能。第三，现有的正向腐蚀技术多是采用TMAH湿法腐蚀，这就限制了腐 蚀开口的形状和取向，还需特别注意保护某些材料不被腐蚀。这些问题影响 了探测器本身性能的提高，更阻碍了与信号处理电路的集成。\n发明内容\n针对传统方法存在的问题，特别是与标准CMOS工艺兼容性较差的缺 点，本发明目的在于提供一种微机械热电堆红外探测器及其制作方法，本发 明提供了一种正面开口的热电堆结构，采用干法刻蚀工艺释放结构，如图2 所示。整个探测器包括衬底，框架，热电堆，支撑臂，红外吸收层，腐蚀开 口等六部分。其中，衬底和悬浮于框架中间的红外吸收层分别构成热电堆的 冷结区和热结区，支撑臂起到连接框架和红外吸收区以及承载热电堆的目 的。支撑臂和红外吸收层是由在单晶硅上淀积的氧化硅和氮化硅复合膜构 成。该结构的具体特征是制作了中间悬浮的红外吸收层，并设计了带有用于 干法刻蚀基体的腐蚀开口。由于干法刻蚀的各向同性，腐蚀开口的形状可以 多种多样，不同于湿法腐蚀开口必须严格沿着特定晶向排布，从而大大增加 了设计的灵活性。所述的腐蚀开口的形状为方形、圆形或扇形，且不必考虑 特定晶向，开口为干法刻蚀工作气体进入的衬底进行反应，提供通道。\n所述的衬底为任意晶向的单晶硅片或SOI硅片支撑臂和红外吸收层是 由硅衬底上的氧化硅-氮化硅复合介质膜，但不限于两层结构还可以是构成 氧化硅-氮化硅-氧化硅的三明治结构组成；而在SOI衬底上，直接由氧化一 层氧化硅构成，而不必形成两层介质膜。\n本发明提出的红外探测器是基于MEMS技术加工的。最明显的特性是 利用干法刻蚀从正面腐蚀单晶硅或SOI衬底，从而形成悬浮膜结构的红外吸 收层。干法刻蚀具有极好的选择性，可以选择某些只腐蚀硅，而对铝等材料 腐蚀速率极小的气体(如XeF2)作为工作气体。这样就可以采用标准CMOS 工艺中最常用的材料来构成热电偶(如Al/Poly Si，Al/Si，N-Poly Si/P-Poly Si，Au/Si等，但不限于此)，从而大大提高了兼容性。\n所述的热电偶对的几何构型可以平行于框架各边，可以沿对对角线方向 或可以沿径向等间隔排列等多种方案。\n具体工艺步骤包括复合介质膜形成、多晶硅条形成、引线孔形成、金属 条形成、腐蚀开口形成以及各向同性的干法刻蚀从正面腐蚀衬底形成悬浮 膜，释放结构等。具体特征在于可选用下述两种方法中任意一种：\n方法之一：\n①复合介质膜的生长，在抛光的单晶硅衬底上，首先热生长氧化硅， 再用LPCVD或PECVD沉积氮化硅，形成氧化硅-氮化硅的复合介质膜结构；\n②形成多晶硅条，在两层介质膜上用LPCVD沉积多晶硅，掺杂使其 导电；光刻图形，腐蚀形成多晶硅条，作为热偶的一种组分；\n③光刻引线孔，在步骤②中形成的多晶硅上面，淀积氧化硅或氧化多 晶硅作为绝缘层，光刻引线孔图形；\n④形成金属条和热偶，蒸发沉积金属，光刻金属线条，腐蚀金属和多 晶硅形成热偶对结构；\n⑤光刻腐蚀开口，作为干法刻蚀的气体通道；\n⑥干法刻蚀释放结构，XeF2工作气体经由步骤⑤中形成的开口刻蚀衬 底，形成悬浮的吸收层，释放结构；\n方法之二：\n①将抛光的SOI硅片氧化，形成表面氧化硅；\n②以步骤①中的氧化硅为掩模，光刻图形，刻蚀形成单晶硅条，作为 热偶的一种组分；\n③氧化形成氧化硅，再用LPCVD淀积氮化硅，形成复合介质膜，光 刻引线孔图案；\n④淀积金属材料铝，光刻金属线条，形成单晶硅与金属的热偶对结构；\n⑤在硅片正面光刻腐蚀开口，作为干法刻蚀的气体通道；\n⑥使用XeF2经由腐蚀开口刻蚀衬底，形成悬浮膜，释放结构。\n干法刻蚀释放结构使用选择性很好的XeF2作为工作气体，即腐蚀硅的 速率很快，对其他材料(如铝、二氧化硅、氮化硅等)的腐蚀速率很小的气 体。\n本发明中采用Al/Poly Si构成热偶(但不限于这些材料，还可以采用Al/ Si，N-Poly Si/P-Poly Si，Au/Si等)，利用腐蚀开口进行正面干法刻蚀最后释 放结构。铝的化学性质比较活泼，在TMAH或KOH等传统的湿法腐蚀液中 都会发生反应。由于干法刻蚀具有良好的选择性，选用合适的工作气体可以 在腐蚀硅的同时几乎不会腐蚀铝。\n本发明的优点在于使用干法刻蚀一方面降低了工艺难度，避免了湿法腐 蚀的诸多问题。例如，湿法腐蚀溶液不可避免的冲击可能会损坏器件结构， 这就限制了器件尺寸，不能制作较大的吸收层，还容易导致结构变形甚至破 裂或粘附等问题。另一方面使得腐蚀开口设计更加多样化，进而可以优化探 测器的几何构型。使用Al/Poly Si作为热偶材料，解决了金属热偶与CMOS 工艺兼容性差的问题，增加了可供选择的热偶材料种类。正面腐蚀降低了正 反对准对光刻机的要求，降低了生产成本。所有结构都是由标准CMOS工 艺中最常见的材料构成的，便于将模拟放大器等后端信号处理电路整合到传 感器中，真正实现集信号产生和处理于一体的MEMS系统。\n附图说明\n图1是典型的悬浮膜结构的微机械热电堆红外探测器示意图。\n图2是本发明提出的红外探测器结构示意图。图2-1：立体图，图2-2： 剖面图。\n图3是具体实施方式例1所述器件的具体工艺流程。\n图4是本发明提出的红外探测器俯视图。\n图4-1：实施例1所述器件俯视图；\n图4-2：实施例2和实施例3所述器件俯视图；\n图4-3：实施例4所述器件俯视图。\n图中各数字代表的含义为：\n1.衬底，2.热电堆，3.红外吸收层，4.冷结区，5.热结区，6.支撑臂，7. 腐蚀开口，8.框架，9.氧化硅，10.氮化硅，11.多晶硅条，12.引线孔，13.金 属线条。\n具体实施方式\n下面结合本发明所提供的工艺流程，来具体阐明该探测器的具体结构。\n实施例1\n(1)在抛光的单晶硅片1上，高温氧化形成热氧化硅9，然后使用LPCVD 沉积氮化硅10，这样就形成氧化硅-氮化硅的复合介质膜结构。见图3-1。\n(2)在(1)中复合介质膜上再用LPCVD再沉积一层多晶硅，掺杂， 使其具有一定的薄膜电阻值。然后高温氧化，在多晶硅表面形成薄层的氧化 硅9，作为湿法腐蚀的掩模。光刻多晶硅条图形，以光刻胶为掩模，先用加 缓冲剂的稀氢氟酸腐蚀氧化硅，然后去胶，以氧化硅为掩模，用KOH在一 定温度下湿法腐蚀多晶硅，形成多晶硅条11，作为热偶的一种组分。见图 3-2。\n(3)LPCVD淀积氧化硅9或氧化多晶硅形成氧化硅，与原有的氮化硅 共同组成介质膜。光刻引线孔图形12，引线孔用以使金属和多晶硅形成欧姆 接触。以光刻胶为掩模，用加入缓冲剂氟化氨的稀氢氟酸去掉氧化硅，得到 引线孔图形。见图3-3。\n(4)用蒸发仪沉积铝(金属材料不限于铝)，接着光刻金属线条13，腐 蚀后在氮气保护下进行合金化工艺，形成了多晶硅与金属的热偶对结构。见 图3-4。\n(5)在硅片正面光刻腐蚀开口7，形成干法刻蚀工作气体进入基体1 的通道。见图3-5。\n(6)使用XeF2经由腐蚀开口7干法刻蚀基体硅1，形成悬浮膜结构释 放器件。见图3-6。\n实施例2\n(1)将抛光的SOI硅片1氧化，形成表面氧化硅9。\n(2)以(1)中的氧化硅9为掩模，光刻图形，腐蚀氧化硅，刻蚀形成 单晶硅条图案14(相当于例1中的多晶硅条11)，作为热偶的一种组分。\n(3)氧化形成氧化硅9，再用LPCVD淀积氮化硅10，形成介质膜。 光刻引线孔图案，刻蚀介质膜形成引线孔12。\n(4)淀积铝(金属材料不限于铝)，接着光刻金属线条13，腐蚀后在氮 气保护下进行合金化工艺，形成了单晶硅与金属的热偶对结构。\n(5)在硅片正面光刻腐蚀开口7，形成干法刻蚀工作气体进入基体1 的通道。\n(6)使用XeF2经由腐蚀开口7干法刻蚀基体硅1，形成悬浮膜结构释 放器件。\n实施例3\n其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于：第一，将实施例 1(2)中的多晶硅条11由平行于吸收区各边修改为沿对角线方向。第二， 将实施例1(5)中的腐蚀开口7由正方形修改为圆形，其余部分不变。步骤 (1)，(3)，(4)与实施例1中的相应步骤相同。\n实施例4\n其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于：第一，将实施例 1(2)中的多晶硅条11由平行于吸收区各边修改为沿吸收区径向等间隔排 列。第二，将实施例1(4)中的金属13改为金，其余部分不变。步骤(1)， (3)，(5)与实施例1中的相应步骤相同。